GaN 器件的直接驅(qū)動配置

集成柵極驅(qū)動的75mΩGaN 器件

TI 的LMG341x 系列600V GaN 器件是業(yè)界首個集成GaN FET 外加驅(qū)動器和保護功能的器件。它是一個8mm x 8mm 四方扁平無引線（QFN）多芯片模塊（MCM），包括一個GaN FET 和具有集成20V 串聯(lián)FET 的驅(qū)動。RDSON 的總電阻為75mΩ。

該器件的框圖如圖4 所示。柵極驅(qū)動器提供GaN FET 的直接驅(qū)動能力，并具有內(nèi)置的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN FET 所需的負電壓。柵極驅(qū)動使用12V 單電源供電，并具有一個內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO），可產(chǎn)生一個5V 電源，為驅(qū)動和其他控制電路供電。內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）電路使安全FET 保持關(guān)閉狀態(tài)，直至輸入電壓超過9.5V。一旦UVLO 超過其自身閾值，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器就會接通并對負電源軌（VNEG）充電。一旦VNEG 電源電壓超過其自身的UVLO，驅(qū)動器便會啟用驅(qū)動。

與分立的GaN 和驅(qū)動器相比，LMG341x 系列的集成直接驅(qū)動實現(xiàn)具有諸多優(yōu)勢。柵極驅(qū)動的一個重要方面是在硬開關(guān)事件期間控制壓擺率。LMG341x 系列使用可編程電流源來驅(qū)動GaN 柵極。

圖4：單通道600 V，76ΩGaN FET 功率級的框圖。

電流源來驅(qū)動GaN 柵極。電流源提供阻抗以抑制柵極環(huán)路，并允許用戶以受控的方式對轉(zhuǎn)換率進行編程，轉(zhuǎn)換率從30 V/ns到100 V/ns，以解決電路板寄生和EMI 問題。

通過將串聯(lián)FET 集成到驅(qū)動集成電路（IC）中，感測FET 和電流感測電路可為GaN FET 提供過流保護。這是增強整體系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵功能。使用增強型GaN 器件時，這種電流檢測方案無法實現(xiàn)。當大于40 A 的電流流經(jīng)GaN FET 時，電流保護電路會跳閘。GaN FET 在發(fā)生過流事件后的60 ns 內(nèi)關(guān)閉，從而防止裸片過熱。

通過將驅(qū)動芯片封裝在與GaN FET 相同的裸片附著墊（DAP）上，驅(qū)動芯片處的引線框架可感測GaN 器件的溫度。驅(qū)動可通過在過熱事件期間禁用GaN 驅(qū)動來保護器件。集成的GaN 器件還提供FAULT 輸出，通知控制器由于故障事件而停止了開關(guān)。為使用直接驅(qū)動方法驗證操作，我們建立了一個半橋板，并將其配置為降壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。此外，我們使用了ISO7831雙向電平位移器來饋送高側(cè)驅(qū)動信號，并返回經(jīng)過電平位移的FAULT 信號。

圖6 中，GaN 半橋配置從480V 總線、以1.5A 的轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換為100V/ns。藍色跡線是開關(guān)節(jié)點波形，紫色跡線是電感器電流。

硬開關(guān)導(dǎo)通穩(wěn)定，具有約50 V 的過沖。此波形使用1 Ghz 示波器和探頭進行采集，可觀察到任何高頻振鈴?？焖俚膶?dǎo)通時間，外加減小的寄生電容和缺反向恢復(fù)電荷，使得基于GaN 的半橋配置即使在使用硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器時也可高效開關(guān)。

圖5：典型的半橋配置。

總結(jié)

GaN 在減小寄生電容和無反向恢復(fù)方面所提供的優(yōu)勢為使用硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)同時保持高效率提供了可能。需要受控的高開關(guān)壓擺率來更大程度地發(fā)揮GaN 的優(yōu)勢，而這又需要優(yōu)化的共封裝驅(qū)動器和精心的電路板布局技術(shù)。共封裝驅(qū)動有助于更大程度地減少柵極環(huán)路寄生效應(yīng)，以減少柵極振鈴。

利用精心布置的印刷電路板（PCB），優(yōu)化的驅(qū)動器可使設(shè)計人員以更小的振鈴和EMI 來控制開關(guān)事件的轉(zhuǎn)換速率。這得益于GaN 器件的直接驅(qū)動配置而非級聯(lián)驅(qū)動配置。

LMG341x 系列器件使設(shè)計人員能夠以30 V/ns 至100 V/ns 的壓擺率控制各類器件的開關(guān)。此外，驅(qū)動器還提供過流、過熱和欠壓保護。

圖6：降壓開關(guān)波形示例。

參考文獻

1. B.J. Baliga, “Power Semiconductor Device Figure-of-Merit for High Frequency Applications,” IEEE Electron Device Letters, vol. 10, pp. 455-457, 1989.

2. M. Seeman et al., “Advantages of GaN in a High-Voltage Resonant LLC Converter,” IEEE APEC, pp. 476-483, March 2014.

3. S. Bahl et al., “New Electrical Overstress and Energy Loss Mechanism in GaN Cascodes,” APEC 2015.

4. X. Huang et al., “Characterization and Enhancement of 600V Cascode GaN Device,” Virginia Tech 2015 CPES Industry Webinar, March 11, 2015.

5. Download these data sheets: LMG3410R050. LMG3410R070 and LMG3411R070